Uranus - Archiv I (2010): Monde unseres Sonnensystems – Malerausgabe 2018

Der Grüne Planet ist der siebte Planet des Sonnensystems, umkreist die Sonne im mittleren Abstand von 2,88 Milliarden km, er ist damit doppelt so weit von der Sonne entfernt wie Saturn. Obwohl Uranus unter günstigen Umständen mit bloßem Auge gesehen werden kann, wurde er erst 1781 von Friedrich Wilhelm Herschel mithilfe des Fernrohrs entdeckt. Uranus ist von der Sonne aus gesehen der dritte der Riesenplaneten (neben Jupiter und Saturn) und mit einem Äquatordurchmesser von 51.120 km auch der drittgrößte (etwa viermal so groß wie die Erde). Durch die Neigung seiner Polachse um rund 98° gegen seine Bahnachse ist er einzigartig unter den Planeten (vgl. Erdachse ist um 27° gegen die Bahnachse geneigt). Mit dieser Achsenneigung läuft er eigentlich rückwärts um die Sonne und zeigt während eines Uranusjahres, das eine Dauer von 84 Erdjahren hat, einmal mit dem Nordpol und einmal mit dem Südpol zur Sonne. Auch in großen Teleskopen lässt sich vom Uranus nur eine strukturlose Oberfläche grünblauer Farbe erkennen. Bis zum Vorbeiflug der Raumsonde Voyager 2 war Uranus ein weitgehend unbeschriebenes Blatt, von dem wenig mehr bekannt war als seine Position im Sonnensystem. Die Raumsonde konnte schließlich Details des Uranussystems enthüllen, indem sie die ersten Nahaufnahmen des Planeten lieferte und direkte Messungen vor Ort durchführte. Praktisch das gesamte heute bekannte Wissen über Uranus fußt auf diesen Untersuchungen. Erst in jüngster Zeit gelang es, den Planeten mithilfe des Weltraumteleskops Hubble zu beobachten. Uranus gehört neben Jupiter und Saturn zu den Gasriesen unter den Planeten des Sonnensystems, und mit einer mittleren Dichte von 1,3 Gramm pro Kubikzentimeter ist er der dichteste dieser Gasplaneten. (vgl. die Dichte der Erde liegt bei 5,5 Gramm pro Kubikzentimeter.) In Analogie zum Roten Planeten Mars wird Uranus auch der Grüne Planet genannt. Die Farbe rührt von den in seiner Atmosphäre befindlichen Teilchen her, die rotes Licht von der Sonne absorbieren und grünes Licht reflektieren. Bereits durch erdgebundene Beobachtungen war bekannt, dass die Atmosphäre des Uranus überwiegend aus den Elementen Wasserstoff und Helium besteht, wie man sie auch bei den übrigen Gasriesen angetroffen hatte. Durch Beobachtungen der Raumsonde Voyager 2, die zwischen November 1985 und Januar 1986 am Uranus vorbeiflog, gelang eine genauere Analyse der atmosphärischen Zusammensetzung. Demnach besteht die Atmosphäre zu 85 Prozent aus Wasserstoff, zu 15 Prozent aus Helium und zu etwa zwei Prozent aus Methan. Andere Substanzen, wie etwa Acetylen und weitere Kohlenwasserstoffe, die durch fotochemische Prozesse gebildet werden, sind nur in Spuren vorhanden. In unbearbeiteten Bildern schimmert Uranus in einem einheitlichen Blaugrün. Hervorgerufen wird diese Farbe durch Methan, das einen Großteil des roten Sonnenlichts absorbiert. Zudem konnte man auf der Tagseite eine als »Dayglow« bezeichnete Emission im Ultraviolettbereich nachweisen, die durch chemische Prozesse in der oberen Atmosphäre entsteht. Dort beobachtet man eine Dunstschicht, die ebenfalls vom Methan verursacht wird. Die atmosphärischen Wolkenbänder, die erst nach einer sorgfältigen Bearbeitung der Bildinformation sichtbar werden, bestehen vermutlich aus Methaneiskristallen. Aufgrund seiner großen Entfernung von der Sonne ‒ Uranus ist dreißigmal weiter von der Sonne entfernt als die Erde ‒ empfängt der Planet nur noch wenig Licht und Wärme. Daher betragen die Temperaturen ‒ je nach der Höhe innerhalb der Atmosphäre ‒ zwischen etwa ‒220 Grad Celsius in der Dunstschicht und ‒190 Grad Celsius in tieferen Regionen. Innerhalb der Atmosphäre bleiben die Temperaturen weitgeh. konstant und zeigen keine ausgeprägte Abhängigkeit von der geografischen Breite. Durch die Voyager-Messungen wurde zudem deutlich, dass in der Atmosphäre stürmische Winde herrschen, die mit Geschwindigkeiten von bis zu 160 km/h wehen. Dringt man tiefer in die Atmosphäre ein, so steigt die Temperatur aufgrund des Drucks der darüber liegenden Atmosphäre allmählich an. Sie erreicht an der Oberfläche des Planeten wahrscheinlich mehrere Tausend Kelvin. Daher nahm man in früherer Zeit an, dass sich dort eine ‒ wegen des hohen Drucks überhitzte ‒ Schicht aus Wasser und Ammoniak befindet, die auch in hohem Grade elektrisch leitfähig und so die mögliche Quelle eines kräftigen Magnetfeldes ist. Diese Annahme wurde mittlerweile fallen gelassen. Das Magnetfeld des Uranus beträgt an der Wolkenobergrenze etwa 2,5 x 10‒5 Tesla. Es ist damit etwa so stark wie das irdische Magnetfeld. Uranus sollte, bedingt durch die Entstehungsgeschichte der Planeten, einen festen Gesteinskern besitzen. Aufgrund der in dieser Tiefe herrschenden Temperaturen sollte der Gesteinskern zumindest weitgehend geschmolzen sein, ähnlich wie bei der Erde, sodass ein Magnetfeld auch durch ähnliche Dynamoprozesse erklärt werden kann. Genau bekannt ist die Ursache des Magnetfelds aber nicht. Es gibt Spekulationen, nach denen das Innere des Uranus kalt sein sollte. Uranus weist nämlich im Gegensatz zu Jupiter und Saturn keinen Wärmeüberschuss auf, strahlt also nicht mehr Wärme ab, als er von der Sonne empfängt. Eine der Besonderheiten des Uranus ist die starke Neigung seiner Rotationsachse. Mit rund 98 Grad liegt die Rotationsachse fast in der Bahnebene, sodass Uranus eigentlich auf seiner Umlaufbahn entlangrollt und dabei, wie die Venus, rückläufig rotiert. Da zudem die Achse des Magnetfelds um rund 60 Grad gegen die Rotationsachse geneigt ist, »windet« sich der vom Planeten wegweisende Teil der Magnetosphäre wie ein Korkenzieher. Im Inneren des Magnetfeldes wurden auch Strahlungsgürtel beobachtet, die überwiegend Wasserstoffionen enthalten. Derzeit ist noch unbekannt, was diese beiden außergewöhnlichen Neigungswinkel hervorgerufen hat. Die starke Neigung der Rotationsachse könnte vor langer Zeit durch den Zusammenstoß mit einem größeren Körper hervorgerufen worden sein. Denkbar ist aber auch die zufällige Umkehrung der Rotationsachse, die bei den meisten Planeten möglich sein sollte. Die starke Neigung der magnet. Achse erklärt man damit, dass sich Uranus gerade in einer Phase befindet, in der seine magnetische Polarität sich umkehrt.

Solche Polaritätswechsel sind an sich nichts Außergewöhnliches ‒ geologische Untersuchungen zeigen, dass sie auch bei der Erde immer wieder vorkamen ‒, es bietet sich aber nur selten die Gelegenheit, diesen Prozess direkt zu beobachten. Insgesamt bestehen die Uranusringe aus einem dunklen Material, das nur wenig Licht reflektiert. Zumindest das Material des Epsilonrings, des hellsten Uranusring, besteht aus Gesteinsbrocken, die kaum größer sind als ein Meter. Im gesamten Ringsystem fanden sich jedoch Staubpartikel in der Größenordnung von 0,02 mm. Der bis zu 100 km breite Epsilonring befindet sich in einer Entfernung von etwa zwei Uranusradien. Die meisten Ringe haben Ausdehnungen, die zwischen einem und 12 Kilometern liegen. Die Dicke der Ringe ist dagegen mit etwa 100 m ziemlich konstant. Mehrere Ringe zeigen Helligkeitsschwankungen, die vermutlich auf Variationen in der Breite zurückgehen. Daneben existieren auch Lücken in den Ringen. Dies alles sind Hinweise darauf, dass die Ringe vor ‒ astronomisch gesehen ‒ kurzer Zeit entstanden sind, also keineswegs so alt sind wie der Planet selbst. Als mögliche Quelle des Ringmaterials gilt ein Himmelskörper, der bei der Annäherung an Uranus durch Gezeitenkräfte zerrissen wurde und dessen Trümmer dann mit dem Planeten zusammenstießen. Ein Uranusmond, der auf einer engen Umlaufbahn um den Planeten lief und dabei durch die Gezeitenkräfte zerstört wurde, könnte das Ringmaterial geliefert haben. Das irreguläre Satellitensystem bilden bis jetzt neun kleine Monde, die den Uranus fast alle rückläufig umrunden. Sie stellen vermutlich eingefangene Planetoiden dar, während die regulären Monde mit dem Planeten gemeinsam entstanden sind. Zwei der Monde ziehen innerhalb des Ringsystems ihre Bahn um Uranus.

Zwischen ihren Umlaufbahnen befindet sich der Epsilonring. Diese beiden Monde wirken als »Schäferhundmonde«, welche die Breite und Dichte des Rings einschränken und das Ringmaterial zusammenhalten. Aufgrund der anderen erkennbaren Ringe vermutet man weitere Schäferhundmonde innerhalb des Ringsystems, die jedoch in den Voyager-Aufnahmen nicht erkennbar sind. Es ist möglich, dass derartige Monde nur winzige Felsbrocken von wenigen Kilometern Durchmesser sind. Vielleicht existieren derartige Monde aber überhaupt nicht, und die Struktur der Ringe ist ähnlich wie im Saturnsystem Ausdruck von Dichtewellen, die dem Ringsystem durch die Anziehungskräfte der übrigen Monde aufgeprägt werden. Eine Aufnahme des Ringsystems im vorwärtsgestreuten Licht weist keine ausgeprägten Lücken auf, die auf einen größeren Mond schließen ließen. Die fünf großen Monde setzen sich überwiegend aus einem Gemisch von Fels und Eis zusammen. Etwa die Hälfte ihres Materials dürfte aus Wassereis, etwa ein Drittel aus Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen und etwa ein Fünftel aus Felsen bestehen. Aufnahmen ihrer Oberfläche zeigen einige der extremsten Spuren tektonischer Aktivität, die im Sonnensystem zu finden sind.
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Quelle: (c) Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, 2008